韓永君

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600）

0 引言

我國鐵路正處于飛速發(fā)展的時代，并逐年向海外市場擴展，隨著客運高速的發(fā)展，貨運重載也緊跟其后，成為目前我國鐵路建設(shè)的重點方向［1］。Eastman等［2］在19世紀70年代提出建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）的概念后，各國大力開發(fā)BIM應(yīng)用系統(tǒng)。隨著我國鐵路聯(lián)盟組織團隊日趨壯大，鐵路BIM標準在鐵路行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用。5年來，統(tǒng)籌考慮鐵路行業(yè)的特殊性和全生命周期管理需要，組織研究鐵路各專業(yè)領(lǐng)域信息模型的定義、信息語義標準和信息傳遞標準以及應(yīng)用實施標準。建立了鐵路BIM標準體系框架，填補了國內(nèi)空白。

2017年政府工作報告中指出：到2020年，高鐵運營里程將達到3萬km，覆蓋80%以上的大城市。我國鐵路建設(shè)預(yù)計仍將高位運行，鐵路BIM市場需求旺盛。中老、雅萬、莫喀高鐵等“走出去”項目對BIM技術(shù)的需求凸顯。隨著綜合交通驅(qū)動日益增長，各省市陸續(xù)發(fā)布BIM技術(shù)應(yīng)用指導(dǎo)意見，以雄安、深圳為代表，BIM與CIM融合發(fā)展逐漸迫切。以BIM技術(shù)縱向維度構(gòu)建整個項目的建設(shè)過程，可以檢出實際建設(shè)過程中的部分問題，及時探討對應(yīng)的解決方案，并且能對關(guān)鍵施工環(huán)節(jié)進行多次反復(fù)的模擬建設(shè)，以避免實際建設(shè)過程中由于各種原因造成的返工。BIM技術(shù)的應(yīng)用，可以加快推進新型城鎮(zhèn)化建設(shè)，并為建筑安全事故、建筑質(zhì)量問題，建筑環(huán)境問題提供有效的解決辦法［3］。

在此結(jié)合朔黃鐵路信號系統(tǒng)特點：

（1） 整理分析信號系統(tǒng)構(gòu)件資源，擴充重載鐵路信號系統(tǒng)模型；

（2） 緊密結(jié)合重載鐵路對信號設(shè)備的要求，優(yōu)化補充BIM模型存儲標準（IFC）、分類標準（IFD）及精度標準（LOD）；

（3） 以BIM技術(shù)應(yīng)用研發(fā)為手段，堅持自主創(chuàng)新與二次開發(fā)相結(jié)合，開發(fā)符合朔黃鐵路特點的設(shè)計、施工及運維過程中的BIM應(yīng)用，包含族庫及設(shè)備管理系統(tǒng)、可視化監(jiān)測系統(tǒng)以及線纜敷設(shè)優(yōu)化系統(tǒng)。

1 朔黃鐵路信號系統(tǒng)運維需求

BIM是一種借助特定軟件創(chuàng)建包含工程信息的三維模型并應(yīng)用于項目各個階段的數(shù)據(jù)化工具，是基于最先進的三維數(shù)字設(shè)計和工程軟件所構(gòu)建的可視化數(shù)字建筑模型，可以為建設(shè)與運維單位的各部門人員提供“模擬和分析”的統(tǒng)一科學(xué)協(xié)作平臺，使整個工程項目在各階段能有效地節(jié)約成本、提高效率［4］?；贐IM的鐵路運維平臺建設(shè)符合新時期數(shù)據(jù)建設(shè)和面向服務(wù)的發(fā)展需求，能夠進一步推進工程數(shù)據(jù)的標準化和運維過程的智能化管理。

1.1 設(shè)計方案三維可視化

應(yīng)用BIM技術(shù)將專業(yè)、抽象的項目方案描述通俗化、三維可視化，各專業(yè)設(shè)計人員、業(yè)主、項目審查人員和其他參與者更易理解設(shè)計意圖、更易激發(fā)創(chuàng)新思維，提出改進方案，最大程度滿足項目需求，為項目立項和決策提供直觀的依據(jù)［5］。

1.2 設(shè)計過程協(xié)同化

應(yīng)用BIM技術(shù)將各專業(yè)間獨立分散的設(shè)計成果，置于統(tǒng)一的三維協(xié)同設(shè)計環(huán)境中，綜合分析比選站房技術(shù)方案，直觀檢查差、錯、漏、碰，避免因誤解或溝通不及時造成的設(shè)計錯誤，提高規(guī)劃設(shè)計質(zhì)量和效率。

1.3 專業(yè)模擬可視化

利用BIM技術(shù)可實現(xiàn)三維模型與數(shù)值分析軟件聯(lián)動，實現(xiàn)以下方面的功能：

（1）模型與數(shù)值分析軟件之間二維計算聯(lián)動；

（2）模型與數(shù)值分析軟件之間三維計算聯(lián)動；

（3）模型與三維渲染軟件之間數(shù)據(jù)聯(lián)動；

（4）模型與性能分析軟件之間數(shù)據(jù)聯(lián)動。

1.4 設(shè)計流程規(guī)范化

建立設(shè)計階段的BIM實施標準，規(guī)范BIM實施內(nèi)容和過程，使BIM技術(shù)在設(shè)計流程中做到有據(jù)可依，減少現(xiàn)階段BIM盲目應(yīng)用和各種非標準化實施造成的大量財力、物力、人力和時間等資源的浪費及損耗，降低實施信息化的成本和風險［6］。

1.5 設(shè)計成果可優(yōu)化

應(yīng)用BIM技術(shù)對設(shè)計成果進行三維可視化集成，能直觀查詢設(shè)計參數(shù)、工程數(shù)量和投資估算，分析方案合理性，能對設(shè)計方案進行修改，保證方案可行、最優(yōu)。

2 朔黃鐵路BIM技術(shù)

采用BIM技術(shù)，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，實現(xiàn)信號室內(nèi)外設(shè)備的模塊化布置與智能化配置、信號電纜徑路三維創(chuàng)建、通過監(jiān)測信息實時反應(yīng)信號設(shè)備狀態(tài)等，以便在建立鐵路信號模型時達到快速、方便、準確地模塊化創(chuàng)建［7］。涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有信號設(shè)備BIM構(gòu)件族庫的建設(shè)與管理技術(shù)、信號工程模型的輕量化引擎及同步發(fā)布技術(shù)、基于BIM的微機監(jiān)測接口技術(shù)。BIM技術(shù)下的模型族庫管理平臺是實現(xiàn)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)集成的關(guān)鍵。通過對BIM技術(shù)的應(yīng)用和管理，在虛擬平臺中形成一套精益化的管理模式，實現(xiàn)信息充分共享和無縫管理。

朔黃鐵路車站信號BIM仿真系統(tǒng)主要包含5部分（見圖1）。

圖1 朔黃鐵路車站信號BIM仿真系統(tǒng)

2.1 重載信號BIM族庫建立

朔黃鐵路重載信號設(shè)備模型總量61個，確定BIM建模工具為Bentely，主要軟件為MS、ABD和Powercivil，參照IFD標準，以朔黃鐵路回鳳站為基礎(chǔ)完成朔黃鐵路重載信號BIM族庫建設(shè)，進行族庫科學(xué)分類管理，重載信號BIM族庫示例見圖2。

圖2 重載信號BIM族庫示例

結(jié)合朔黃重載信號設(shè)備特征，建立描述設(shè)施設(shè)備、工程特定結(jié)構(gòu)、工作原理的系統(tǒng)模型或數(shù)學(xué)模型，這些模型應(yīng)符合BIM的技術(shù)體系。

2.2 BIM信號設(shè)備輕量化解析

立足重載信號BIM族庫，結(jié)合朔黃鐵路實際，自主開發(fā)了BIM文件管理工具，用于解析巨規(guī)模線狀數(shù)文件，滿足大文件的整體展示需求；支持BIM文件的多終端無插件在線瀏覽。具體實現(xiàn)方式為：

（1） 實現(xiàn)解析標準IFC格式類型的BIM模型；

（2） 實現(xiàn)Revit、Tekla、Bentely等建模軟件建立的大模型輕量化處理，依然保留BIM信息；

（3） 支持增加IFC標簽屬性，并攜帶屬性導(dǎo)出；

（4） 具備跨終端（PC和移動端）直接查看BIM模型功能；

（5） 具有BIM模型展示、操作（比如放大、縮小、刨切、點選構(gòu)件、透明、著色等）功能；

（6） 實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)云端存儲，打開瀏覽器訪問地址直接查看，無需安裝插件。

輕量化解析工具，基于WebGL繪圖技術(shù)標準，采用輕量化、流式加載、硬件加速技術(shù)，將各種三維模型的組織結(jié)構(gòu)、屬性信息、幾何圖形，轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一格式的輕量化模型構(gòu)件，實現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)、屬性、幾何圖形數(shù)據(jù)的自動關(guān)聯(lián)提取，并轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式的輕量化三維模型構(gòu)件，支持瀏覽BIM幾何模型、查看模型信息、漫游、剖切顯示、設(shè)備分組拾取顯示和隱藏等多種功能［8］。結(jié)合朔黃鐵路特點，研究分析不同專業(yè)所需的構(gòu)件資源，擴充鐵路特有的專業(yè)領(lǐng)域類別，定義分類屬性，完善鐵路設(shè)備的分類編碼（IFD），對族庫進行科學(xué)分類管理。

通過模型數(shù)據(jù)管理模塊，對BIM模型及模型對應(yīng)的標準信息進行管理，具有族庫文件修改、刪除、導(dǎo)入等功能。同時，具有族庫文件標簽及屬性新增、修改、刪除等操作功能，支持不同用戶對族庫進行優(yōu)化驗證?；谳p量化引擎，滿足多終端無插件在線瀏覽模型及遠程查看與下載。

IFC數(shù)據(jù)管理模塊包括IFC數(shù)據(jù)列表和IFC數(shù)據(jù)添加功能。IFC數(shù)據(jù)列表界面顯示所有的IFC數(shù)據(jù)，可以根據(jù)IFC數(shù)據(jù)名稱、狀態(tài)查詢相應(yīng)的數(shù)據(jù)。BIM設(shè)備輕量化解析工具界面見圖3。

圖3 BIM信號設(shè)備輕量化解析工具界面

2.3 聯(lián)鎖與BIM信號設(shè)備仿真控制

結(jié)合BIM信號設(shè)備和車站信號設(shè)備聯(lián)鎖關(guān)系，對回鳳站實現(xiàn)聯(lián)鎖與BIM信號設(shè)備仿真控制，回鳳站聯(lián)鎖界面見圖4，車站BIM信號設(shè)備仿真控制見圖5，具體實現(xiàn)步驟如下：

圖4 回鳳站聯(lián)鎖仿真界面

圖5 車站BIM信號設(shè)備仿真控制

（1） 確定聯(lián)鎖制式，確定聯(lián)鎖的站場平面圖和聯(lián)鎖表；

（2） 編制站場數(shù)據(jù)，確定室內(nèi)設(shè)備的聯(lián)鎖關(guān)系；

（3） 編寫聯(lián)鎖邏輯代碼及BIM虛擬場景和信號機、軌道電路、轉(zhuǎn)轍機、機械室組合柜繼電器的數(shù)據(jù)接口；

（4） 實現(xiàn)和完成2D模式的聯(lián)鎖仿真。

基于回鳳站的聯(lián)鎖BIM車站室內(nèi)外設(shè)備邏輯關(guān)系控制功能，依據(jù)BIM模型開發(fā)族庫管理模塊，包括設(shè)備各類、各個階段的信息添加和維護，編寫B(tài)IM室內(nèi)外模型（信號機、軌道電路、轉(zhuǎn)轍機、機械室組合柜繼電器等）與聯(lián)鎖的接口，實現(xiàn)2D聯(lián)鎖+BIM仿真模擬。聯(lián)鎖控制室外道岔轉(zhuǎn)換、信號機開放、軌道電路占用出清狀態(tài)顯示。

虛擬車站使用BIM三維仿真模擬技術(shù)真實還原車站及相應(yīng)的室外信號設(shè)備，通過場景漫游及定位功能，全方位配合聯(lián)鎖系統(tǒng)實時查看設(shè)備的當前狀態(tài)，同時計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)操作控制虛擬車站的設(shè)備，虛擬車站及室外信號設(shè)備見圖6。

圖6 虛擬車站及室外信號設(shè)備

2.4 可視化監(jiān)測

以微機監(jiān)測系統(tǒng)為依托，進行信號設(shè)備可視化功能開發(fā)。選擇回鳳站進行試點，還原室內(nèi)、外信號設(shè)備及信息采集模塊狀態(tài)；通過現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)接口，采用BIM虛擬設(shè)備對真實設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)還原，實時還原設(shè)備的運行狀態(tài)及屬性、設(shè)備位置定位，報警數(shù)據(jù)定位、故障設(shè)備范圍定位等功能。信號設(shè)備室組合架可視化監(jiān)測示意見圖7。

圖7 信號設(shè)備室組合架可視化監(jiān)測示意圖

2.5 信號電纜敷設(shè)優(yōu)化

通過建立設(shè)備、橋架、線槽、線纜等BIM信息模型，根據(jù)設(shè)計圖紙的機柜規(guī)劃布置，結(jié)合BIM特有的碰撞檢測、施工工藝工法、以及RTT、A*算法，實現(xiàn)線纜敷設(shè)的自動排位排序。在避免線纜交叉的情況下，確保線纜敷設(shè)路徑最優(yōu)化，生成包含路由、長度、線纜規(guī)格型號的線纜清冊。其具體步驟如下：

（1） 構(gòu)建站場房屋模型，確定室內(nèi)實用空間大??；

（2） 根據(jù)設(shè)備布置圖布設(shè)室內(nèi)BIM模型，從族庫選擇相應(yīng)設(shè)備拼接室內(nèi)BIM模型；

（3） 根據(jù)配線圖生成電纜清冊，通過電纜清冊實現(xiàn)線纜自動敷設(shè)；

（4） 線纜基本路徑繪制和關(guān)鍵點添加及屬性設(shè)置；

（5） 規(guī)劃布放及排序的優(yōu)化調(diào)整，在避免線纜交叉的情況下，確保敷設(shè)線纜的路徑最優(yōu)化；

（6） 線纜算量及線纜敷設(shè)過程智能輸出。

信號電纜敷設(shè)優(yōu)化系統(tǒng)示意見圖8，通過信號電纜敷設(shè)優(yōu)化系統(tǒng)工具對信號設(shè)備室內(nèi)的信號電纜進行敷設(shè)和碰撞檢查。

圖8 信號電纜敷設(shè)優(yōu)化系統(tǒng)示意圖

由于繼電器組合架背部配線復(fù)雜且易出錯，現(xiàn)場信號人員根據(jù)設(shè)計圖紙進行組合架、分線盤等配線，容易因圖紙本身錯誤以及配線過程中的人為失誤導(dǎo)致配線出現(xiàn)錯誤，從而導(dǎo)致設(shè)備無法正常使用，嚴重情況下可能導(dǎo)致鐵路安全事故發(fā)生，因此利用提出的信號電纜敷設(shè)優(yōu)化方案，可有效避免配線錯誤導(dǎo)致的返工、誤工和安全事故［9］。繼電器組合架配線BIM示意見圖9、機柜底部電纜溝槽走線BIM示意見圖10。

圖9 繼電器組合架配線BIM示意圖

圖10 機柜底部電纜溝槽走線BIM示意圖

3 朔黃鐵路全生命周期信息管理

3.1 可行性研究階段

項目的可行性研究階段，對影響工程建設(shè)的因素、條件進行全面分析，避免錯誤的投資決策。建設(shè)項目的可行性研究包括對投資機會的分析、初步可行性的研判、技術(shù)和經(jīng)濟的可行性、評估決策項目的投資預(yù)算［10］。

可行性研究階段的項目信息主要為投資決策信息，包括場地環(huán)境信息、信號設(shè)備外觀分析、信號設(shè)備功能設(shè)計、項目預(yù)算決策等。

3.2 設(shè)計階段

設(shè)計階段的出發(fā)點習慣于總體概念設(shè)計，信號設(shè)計工程師根據(jù)實際車站的信號工程需要，給出具體的設(shè)計方案和圖紙。隨著計算機軟件的發(fā)展，信號工程師可以在空間維度上實踐自己的項目理念，這是傳統(tǒng)信號設(shè)計無法想象的。設(shè)計階段成果是可接受的信號施工圖紙和配線圖紙，滿足實際應(yīng)用需求。

3.3 施工階段

工程施工階段根據(jù)項目應(yīng)用階段可分為計劃階段和實施階段。

（1）計劃階段主要進行施工前的準備工作，包括制定施工計劃、材料計劃以及估算施工成本等。在對施工圖紙足夠的研判分析下，輔以施工方法和施工組織的制定，就能基本得知相關(guān)的信息數(shù)據(jù)［11］。為實現(xiàn)目標的過程計劃，施工階段產(chǎn)生的變更設(shè)計也會引起設(shè)計階段的完善處理，因此有效協(xié)同兩階段的管理對工程的優(yōu)化設(shè)計具有明顯效果。計劃階段還需要明確招投標的范圍，同時編制技術(shù)規(guī)格書。

（2）實施階段是對計劃階段成果的有效執(zhí)行，支持設(shè)計信息和施工計劃向建筑實體轉(zhuǎn)變的過程，包括具體的施工工具、責任劃分、任務(wù)分配、材料使用、構(gòu)件加工、建造拼裝等活動。實施階段的信息包括設(shè)計處理信息、施工過程計劃和相關(guān)附加信息，集成化應(yīng)用這些信息是施工活動的加速器。

施工階段存在的信息類別包括施工方案模擬、施工工藝模擬、施工進度模擬、施工成本控制、施工現(xiàn)場管理等信息［12］。根據(jù)工程方案模擬的分類，又分為場地平面布局、項目投標決策、材料進場、虛擬建造、組織協(xié)同合作等信息。

3.4 運維階段

運維階段包含設(shè)備的運行與維護、建筑物的運營維護、工程設(shè)施管理等內(nèi)容［13］。設(shè)備的運行與維護過程需要設(shè)備參數(shù)、運行壽命、周圍環(huán)境等信息，以保證設(shè)備在適宜的環(huán)境中能更長久地運作；建筑物的運營維護是整合人員、設(shè)施、技術(shù)和管理流程，主要包括對人員工作和生活空間進行規(guī)劃、維護、維修、應(yīng)急等管理；工程設(shè)施管理需要考慮建筑內(nèi)部空間分配，主要需求信息包括樓層分布、信號設(shè)備布局和房間信息等。

目前鐵路部門已經(jīng)應(yīng)用一些運維系統(tǒng)，但現(xiàn)有運維系統(tǒng)在應(yīng)用過程中暴露出準確度及精細度低且各系統(tǒng)間信息無法共享和協(xié)同［14］。針對以上不足，為最大程度利用運維信息的使用價值，實現(xiàn)運維系統(tǒng)中各部門間的信息協(xié)同，提升運維管理的質(zhì)量和效率。根據(jù)BIM技術(shù)的特點，搭建基于BIM的運維系統(tǒng)框架（見圖11），解決原有運維系統(tǒng)信息協(xié)同不足的問題。系統(tǒng)框架客戶端、系統(tǒng)應(yīng)用層及數(shù)據(jù)共享層的信息說明分別見表1—表3。

圖11 基于BIM的運維系統(tǒng)框架

表1 客戶端信息說明

表2 系統(tǒng)應(yīng)用層信息說明

表3 數(shù)據(jù)共享層信息說明

4 結(jié)論

（1） 通過對IFC標準的研究，提出基于IFC標準的BIM構(gòu)件族庫建設(shè)方案，并結(jié)合朔黃鐵路項目特點整理細化IFD標準，在此基礎(chǔ)上建立朔黃鐵路重載信號BIM族庫，填補了鐵路重載信號BIM族庫空白。

（2） 考慮重載鐵路應(yīng)用特點，基于WebGL自主開發(fā)了適用于重載鐵路的輕量化瀏覽引擎，將各種三維模型的組織結(jié)構(gòu)、屬性信息、幾何圖形轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一格式的輕量化模型構(gòu)件，實現(xiàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)、屬性、幾何圖形數(shù)據(jù)的自動關(guān)聯(lián)提取。

（3） 結(jié)合鐵路重載信號特點以及信號線纜布放規(guī)劃復(fù)雜的問題，通過建立設(shè)備、橋架、線槽、線纜等BIM信息模型，開發(fā)了基于BIM模型的線纜規(guī)劃布放及排序的智能布線工具。在確保避免線纜交叉的情況下，實現(xiàn)線纜敷設(shè)路徑最優(yōu)化。